Тяговая подстанция её виды и особенности выбора и монтажа

Особенности тяговых подстанций

Эти электроустановки имеют ряд значительных отличий от силовых трансформаторных подстанций, которые обеспечивают электрическим питанием города и поселки.

• Относятся к потребителям электрической энергии I категории – они не могут быть отключены ни при каких обстоятельствах, поскольку это может повлечь за собой катастрофические последствия. Поэтому к ним подводится две или более магистральных электролиний.
• Не всегда являются понижающими трансформаторами. Большая часть из них – это выпрямители, обеспечивающие подачу в контактную сеть постоянного тока.
• Преобразованная ими электрическая энергия имеет параметры, отличные от тех, что используются в промышленности и быту. По этой причине обеспечиваемая ими контактная сеть является автономной и не имеет гальванического контакта с другими электросетями. От тяговых подстанций может быть проложена электрическая линия для подачи электропитания в ближайшие к ним населенные пункты, если иной возможности их электрифицировать нет.
• В их конструкции предусмотрена возможность рекуперации – возврата части электрической энергии в сеть за счет ее генерации электродвигателями во время торможения.

Для каждого вида электрифицированного транспорта используются свои тяговые подстанции, отличающиеся по принципу работы и номиналу напряжения.

Железнодорожный электротранспорт

Его контактная сеть имеет большую протяженность. Причем нередко по таким местам, где иных источников электрического тока нет. Поэтому по ней может течь не только постоянный, но и переменный ток, который передается на большие расстояния с меньшими потерями.

Номинальное напряжение контактной сети

На подстанции подается напряжение 220 или 110 кВ переменного тока, а если контактная сеть устаревшая, то 35 кВ. Для систем питания постоянным током оно преобразуется в 3,3 кВ, а для переменного в 27,5 кВ.

Для обеспечения нужд железнодорожной инфраструктуры (семафоры, стрелки, служебные помещения) в состав оборудования тяговой подстанции включается трансформаторная обмотка, с которой снимается напряжение 10 киловольт. Оно преобразуется до трехфазного линейного 380 вольт (система с глухозаземленной нейтралью), позволяющего переходить на бытовые 220 вольт 50 Гц.

Организационная структура контактной сети

На железнодорожном транспорте существуют следующие типы тяговых подстанций:

• Опорные. К ним подводится не менее четырех автономных линий электропередач. Они являются основными источниками электропитания для контактной сети. Если используется постоянный ток, то расстояние между ними не более 15 км. При переменном оно увеличивается до пятидесяти.
• Транзитные, питаются от двух независимых ЛЭП и включаются в разрыв между опорными подстанциями. Обеспечивают передачу электроэнергии на большие расстояния, а также непрерывность питания контактной сети в случае аварии на одном из участков.
• Отпаечные (тупиковые). Используются для обеспечения движения электропоездов по обособленным веткам. Отпаечные подстанции питаются от двух независимых ЛЭП.
• Стыковочные. Используются там, где происходит смена типа контактной сети. Они осуществляют гальваническую развязку между переменным и постоянным током.

Конструкция контактной сети

Трехфазные асинхронные двигатели на электротранспорте любого типа не используются по причине чрезмерного увеличения стоимости контактной сети, сложности токосъемников и невозможности их работы на высоких скоростях. Воздушный контактный провод всегда один и он фазный. Роль нулевого играет рельс, поэтому в пределах нескольких десятков метров от железнодорожного полотна регистрируются так называемые блуждающие токи.

На дальних перегонах, с целью уменьшения потерь, тяговая подстанция переменного тока выдает 50 кВ, это напряжение делится пополам (схема 25х2) между питающим и контактным проводом с помощью автотрансформатора, центральная точка которого замкнута на рельс. По контактной сети переменного тока можно пропускать и постоянный. Для этого используется стыковочная тяговая подстанция, осуществляющая переключение типа напряжения на определенном участке.

На электровозах переменного тока – ВЛ80, ВЛ85 – ставятся выпрямители и двигатели, способные работать на пульсирующем токе. Они рассчитаны на номинальное напряжение 25 киловольт – 2,5 киловольта теряются из-за высокого сопротивления цепи между контактным проводом и рельсом. Модели ВЛ10 и ВЛ11 работают на постоянном токе, а ВЛ82М имеет привод обоих типов.

Преобразовательные агрегаты

Тяговые трансформаторы

Преобразовательные агрегаты тяговых подстанций метрополитена по многим узлам унифицированы с агрегатами тяговых подстанций городского электротранспорта. По требованиям пожарной безопасности тяговые трансформаторы, устанавливаемые в подземных выработках, выполняются сухими (безмасляными). С целью снижения уровня пульсаций выходного напряжения выпрямительные агрегаты тяговых подстанций выполняют шести- и двенадцатипульсовыми с соединением вентилей по нулевой и мостовой схемам, а также применяют уравнительные реакторы. Выпрямительные агрегаты производятся как с неуправляемыми вентилями (диодами), так и с управляемыми (тиристорами), что позволяет регулировать уровень выпрямленного напряжения и избегать возникновения уравнительных токов при параллельной работе нескольких агрегатов. Применяются выпрямители как с естественным, так и принудительным воздушным охлаждением.

Структура

Описание типовых схем представленных аппаратов достаточно сложное. Однако можно выделить общие черты. Подключение в системе производится в соответствии с особенностями транспорта, для которого применяется агрегат.

Распределитель состоит из трех блоков. В первом находится устройство, принимающее высокое напряжение, во втором отсеке – трансформатор, а в третьем – выход для электроэнергии с заданными характеристиками. Предусмотрен всего один выключатель. На вводе присутствует разъединитель.

Соединение первичных обмоток выполняется по схеме звезда. Нулевая фаза обязательно заземляется. Вторичные обмотки соединяются в виде треугольника. Одну из фаз заземляют и подводят к рельсу. В метрополитене для этого предусмотрено наличие особого контактора. Этот рельс предназначен исключительно для снятия напряжения электровозом.

Другие фазы подают ток в два воздушных кабеля. Их иногда применяют для снабжения электроэнергией других потребителей, но в основном по воздушным проводам тяговые подстанции обеспечивают питание троллейбусов. Для трамвая этот процесс предполагает задействовать один воздушный провод и один наземный рельс. В большинстве стран мира напряжение для такой сети составляет 550 В.

Понизительные подстанции

Понизительные подстанции размещают либо на пассажирских станциях, либо вблизи от них. Эти подстанции предназначены для понижения напряжения переменного тока 6, 10 или 20 кВ, получаемого по кабелям от 1 или 2 ближайших тяговых подстанций, и передачи питания соответствующим потребителям электрической энергии.

На понизительной подстанции к шинам 10 кВ через высоковольтные выключатели подсоединяются понижающие трансформаторы, несущие различные нагрузки потребителей. Электропитание эскалаторов, сантехнических устройств и других силовых установок производится от двух трансформаторов ТМ-1 и ТМ-2, которые подключены к разным секциям шин напряжением 10 кВ. Оба трансформатора нормально находятся в работе. В случае отключения одного из них всю нагрузку принимает на себя другой.

Пониженное до 380 В напряжение подаётся на силовой щит и далее к потребителям.

Питание устройств СЦБ осуществляется трёхфазным переменным током от одного из двух самостоятельных трансформаторов АТДП-1 или АТД-2, подключённых к разным секциям шин 10 кВ и выдающим на щит СЦБ 380 В. Один из трансформаторов является резервным. Переключение с основного трансформатора на резервный происходит автоматически при срабатывании следящих приборов.

Аналогичным образом к шинам 10 кВ подключены два трансформатора освещения ТО-1 и ТО-2. Для питания цепей освещения в случае исчезновения переменного тока на СТП и основных понизительных подстанциях установлены мощные свинцовые кислотные аккумуляторные батареи напряжением 150 В, рассчитанные на работу в течение не менее 1 часа. Переключение на питание от батареи происходит автоматически.

Аккумуляторные батареи находятся на постоянном подзаряде, для чего служат специальные зарядно-подзарядные устройства.

Трансформаторы освещения вторичными обмотками подключены к рабочим секциям освещения, а аккумуляторная батарея — к аварийной секции, через которые нагрузка равномерно распределяется среди потребителей.

Для распределения нагрузок среди потребителей понизительные подстанции имеют сборные шины; для отключения и включения участков цепи установлены разъединители с рычажным приводом. Для защиты аппаратов от перегрузок и переключений в цепях имеются масляные или воздушные выключатели. Отдельные цепи, идущие к потребителям, защищены плавкими предохранителями и автоматическими выключателями.

На площадке депо имеются самостоятельные понизительные подстанции наземного исполнения. Понизительная подстанция депо получает питание по двум кабелям 10 кВ от ближайшей тяговой подстанции и понижает напряжение до 380, 220 и 127 В. Подстанция питает потребителей переменного тока депо и предприятий метрополитена, расположенных на его площадке (заводы, мастерские, лаборатории и т. п.). Аккумуляторные батареи на таких подстанциях не ставят.

Метрополитен

Для него характерны перегоны (расстояние между станциями) небольшой длины, нет проблем с подключением к линиям электропередач. Поэтому в контактную сеть подается исключительно постоянный ток.

Номинальное напряжение контактной сети

На вход подстанций подается напряжение 10 или 6 кВ от городской электросети. На выходе они выдают постоянный ток напряжением 825 вольт.

Организационная структура электроснабжения метрополитена

До тех пор, пока линии были небольшой протяженности, их обеспечивала одна тяговая подстанция. Эта схема называлась централизованной и использовалась до середины 50-х годов прошлого века. Сейчас они разбиты на перегоны, каждый из которых запитан своей силовой станцией. Они же ставятся в местах наибольшей нагрузки.

В состав их конструкции входит понижающий трансформатор, на выходной обмотке которого напряжение 400 вольт 50 Гц. Его используют для собственных нужд метрополитена – для питания эскалаторов, вентиляторов, насосов, приводящихся в действие асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором, а также освещения.

Конструкция контактной сети

В российском метро воздушная контактная сеть не используется. Вместо этого, рядом с одним из ездовых рельсов, прокладывают третий, токосъемный. Он расположен у края пассажирской платформы и чуть выше двух остальных. Для обеспечения безопасности рабочего персонала его красят в желтый цвет. При этом ездовые рельсы соединяют с нейтралью силовой подстанции, исключая появление блуждающих токов.

Трамваи и троллейбусы

Так же, как и метро, в контактную сеть наземного городского электротранспорта подается постоянный ток.

Номинальное напряжение контактной сети

Тяговые подстанции питаются от городской электросети напряжением 6 или 10 кВ. Они выпрямляют переменный ток и выдают напряжение 550 вольт.

Организационная структура контактной сети

Она строится так же, как и у метрополитена – маршрут разбивается на равные участки и к ним подключаются автономные тяговые подстанции. При этом в конструкции силовых установок отсутствуют низковольтные выводы, поскольку вся дорожная инфраструктура запитывается от городской электросети.

Конструкция контактной сети

У троллейбусов она воздушная и двухпроводная, поскольку прямого контакта с землей обеспечить невозможно. Токоприемники у них выполнены в виде графитовых щеток на длинных штангах, что увеличивает маневренность машины – она может отклоняться от линии проводов на расстояние до 4,5 метра.

Контактная сеть трамвайных линий аналогична железнодорожному транспорту – фазный провод вверху, нулевой – рельс. Токоприемник выполнен по схеме раздвижного пантографа, рамка которого скользит по проводу. Чтобы уменьшить ее износ, контактный провод подвешивают зигзагом – не более четырех изгибов на один пролет между столбами.

Контактные сети и тяговые подстанции, обеспечивающие их питанием, по своему устройству и организационной структуре остаются практически теми же, что и сто лет назад. Изменения касаются лишь элементной базы, в результате чего все конструкции становятся более компактными. Исчезнуть они могут лишь в случае технологического прорыва, аналогичному тому, что случился в начале XX века, когда электричество стало применяться широко и повсеместно.

Разновидности

Все подстанции осуществляют преобразование и распределение энергии к электротранспорту.

Однако по некоторым признакам тяговые комплексы различаются.

По направлению использования оборудования тяговой подстанции проводится классификация на три вида:

• железная дорога,
• метрополитен,
• электротранспорт наземного типа (троллейбусы, трамваи).

Исполнение оборудования, инструкции для каждого вида средства передвижения отличаются. В перечень различий входят не только цели, но и технологические требования, заземление, исходящая мощность, инструкции управления, конструкция и функции. Само строительство в процессе также не будет одинаковым. В каждом типе тяговых комплексов транспорта существует их внутренняя дифференциация.

Интересный видеоматериал на тему

Тяговые подстанции железной дороги

Предназначены для запитывания электроподвижных составов по номинальному напряжению 3300 В. Одновременно способны покрывать требования других потребляющих объектов на территории железной дороги.

Классификация

Электроснабжение на комплексах ржд от внешней сети определяет разделение на три категории:

• Опорные

Или узловые. Требования питания — три и более ЛЭП напряжением 110 кВ или 220 кВ. Мощность позволяет им выступать материнской точкой электричества для других систем и оборудования.

• Тупиковые

Или концевые. Снабжаются двумя радиальными линиями передачи от подстанции, находящейся в недалекой доступности.

• Промежуточные

Берут энергию от пары соседних установок с помощью вводов. Подразделяются на транзитные (с включением через рассечку кабеля) и отпаечные (подключаемые к ответвлениям линии).

По тяговой системе электричества подстанции РЖД делят на:

• тока постоянного (3,3 кВ)

Запитывание подводится напрямую через кабели или воздушные линии (110-220 кВ) либо посредством трансформатора (до 110 кВ).

• тока переменного (25 или 2 по 25 кВ)

Не используют преобразующий узел, следовательно, не способны выпрямлять синусоидные характеристики.

• стыковые (используют оба типа тока, соответствующее заземление).

По виду преобразователя тяговая подстанция ржд может быть:

• выпрямительная

Обеспечивают требования стационарных подстанций, стоящих на определенных точках магистрали.

• выпрямительно-инверторная

Чаще всего используется в передвижных составах для рекуперации в независимую энергию торможения у электровозов.

Способ трансформации может быть одноступенчатым (6, 10, 35 кВ) или двухступенчатым (110, 220 кВ).

По способу обслуживания тяговые устройства ржд могут нуждаться в контролирующем персонале постоянно, подразумевать слежение из удаленных пунктов с вынужденным вмешательством или исключить требования участия человека вовсе.

Структура

Тяговая подстанция ржд снабжается 2-6 вводами токами, устройствами распределения высокого и низкого напряжения, преобразовательным компонентом и фидерами.

Инструкция обуславливает, что РУ ВН необходимо для питания тягового агрегата железной дороги, трансформатора. РУ НН требуется для работы с нетяговыми потребителями.

Преобразовательные элементы выпрямляют ток, возвращают электричество рекуперации на самостоятельное торможение.

Фидеры помогают усилить заземление и присоединить в РУ не только тяговую подстанцию, но и прочие внешние потребители энергии, расположенные в районе железной дороги.

Посмотрите видео на данную тему

Схемы питания

Технологические требования определяют, что максимальный промежуток между пунктами подстанций не должен превышать 15 км при постоянном и 50 км при переменном токе (зависит от объема движения участка). При этом заземление может происходить по одноцепной или двухцепной инструкции.

Одноцепные — не более 3 транзитных пунктов между опорными точками.

Двухцепные — не больше 5 транзитных (MAX 2) и отпаечных (MAX 3) подстанций при 110-220 кВ общей и раздельной опоры постоянного тока; не более 3 транзитных (MAX 2) и 1 отпаечной подстанции при 110 кВ раздельной опоры тока переменного типа.

Наземного транспорта

Тяговая подстанция наземного транспорта поддерживает электроснабжение пассажирского транспорта троллейбусного и трамвайного типа. Номинальным напряжением токоприемника таких средств передвижения принята величина в 550 В. Троллейбусы и трамваи используют постоянный ток, который преобразуется из трехфазной переменой энергии 6 или 10 кВ. Обеспечение происходит с помощью ЛЭП воздушного и кабельного видов через специальное или естественное заземление.

Классификация

По образу обслуживания:

• автоматизированные

Инструкции таких систем исключают человеческое вмешательство в основной процесс. Аварийные, установочные и ремонтные работы проводит электромонтер. В остальном требуется только наблюдение. Используются редко ввиду ненадежности, в основном на низкоинтенсивных и малозначимых линиях. Кроме того, реконструкция тяговой подстанции с автоматизированным управлением бывает осложнена поиском уязвимого места.

• с обслуживающим персоналом

В данном случае требуется не только электромонтер тяговой подстанции для периодического участия, но и персонал для постоянного контроля. Автоматические программы встраиваются частично под определенные функции. Такой выбор конструкции обусловлен нерациональностью использования иных систем в условиях небольших городов. Также данный вариант иногда выбирается как более надежный для больших управляющих подстанций.

• телеуправляемые

Очень крупные системы электротранспорта зачастую управляются дистанционно. Инструкции управления строятся таким образом, что сигналы на подстанции подаются из районных подразделений. Непосредственно на точках персонал не присутствует. Электромонтер тяговой подстанции проводит только установку и ремонты компонентов линии.

По структуре выделяется две группы оборудования:

• одноагрегатные

Применимы в условиях, когда централизованное энергоснабжение невозможно или не требуется. Не способны гарантировать надежную мощность, обесточивают всю сеть при выходе из строя. Часто включаются в технологические карты в вылетных местах линий, но строительство не использует их для больших форматов ЛЭП. Электромонтер тяговой подстанции требуется постоянно для наблюдения и ремонта.

• многоагрегатные

Встречаются варианты с разным количеством оборудования от 2 до 4 и более. Работа такой подстанции бесперебойна, поскольку при выключении одного компонента подключается другой. Тем же самым достигается гибкая мощность в перегруженные, скачковые моменты. Затраты на строительство с обслуживанием гораздо ниже однокомпонентных комплексов, хотя заземление сложнее.

По расположению:

• наземные (открытые или закрытые),
• подземные.

Структура

Тяговые объекты трамваев, троллейбусов имеют ввод через коммутатор. Карты включают разъединители линий и шин, выключатель высокого вольтажа. Большинство подстанций снабжено двумя точками такого типа (основной и резервной). Переход между ними осуществляется автоматикой. Количество вводов может быть увеличено до трех.

После коммутатора следует распределительные агрегаты ВН и постоянного тока. Технологические карты разрабатываются по разным вариантам с одной или двумя (отрицательной и положительной) секциями шин. Возможно их раздельное подключение или одновременное функционирование. Надежными считаются карты с 2 и более секциями. Они не требуют отключения всей подстанции для ремонта одной части.

Следующим подключается преобразовательный агрегат из трансформатора и определителя. Количество этих элементов решает мощность структуры. Вторичная обмотка дает шестифазное напряжение. Большие объекты часто снабжаются дополнительной шиной, чтобы электромонтер тяговой подстанции мог проводить ремонт быстрее и легче.

Заземление главной шины подстанции для троллейбусов проводится через балласт сопротивления. Аналогичное заземление для трамваев не требуется, поскольку там эта операция проходит естественным путем посредством рельсов.

Фидерами тяговых комплексов наземного транспорта выступают надземные и подземные кабели, а также воздушные линии. Количество колеблется от 1-2 при децентрализованном снабжении до 10 для централизованной карты. Фидеры способны занимать функционирующее и резервное положения, что удобно для обслуживания без длительной остановки линейной запитки.

Схемы питания

Принципиальная схема снабжения наземного электротранспорта строится по следующему принципу. Электростанция (1) подает ток переменного вида. Подстанция трансформатором (2) повышает напряжение энергии до оптимального уровня, передает на удаленные расстояния по ЛЭП (3). Рядом с точкой потребления напряжение падает от действий следующей трансформаторной подстанции (4). Затем по воздушным линиям или кабелям (5) энергия переходит на следующую тяговую станцию (6). По дальнейшим ЛЭП (7) ток переходит в контакты (8) и рельсы(10), питает движущий состав (9). Рельсовая сеть при этом выходит на отсасывающую линии (11). У троллейбусов вместо рельсов через заземление применяется второй контактный провод.

Метрополитена

Подстанция метрополитена преобразует ток из переменного в постоянный аналогично комплексу поверхностного транспорта, но имеет характерные отличия.

Классификация

По назначению:

• тяговые

Ток на преобразование поставляет городское электроснабжение. Номинальный показатель напряжения равен 825 В. Энергия идет к тяговому составу метрополитена.

• понизительные

Ток поступает от тяговой точки, трансформируется напряжением до 220, 133 и 400 В. Энергия применяется для подпитки осветительных, СЦБ, силовых устройств метрополитена. Располагаются у станций, возле эскалаторов с машинными залами, в перегонах или при депо.

• совмещенные (тяговопонизительные)

Объединяет обе карты в одну по структуре и функциям. Наиболее выгодно в применении на практике.

По расположению:

• подземные,
• наземные.

Структура

Основными составными частями тяговых систем метрополитена являются РУ собственных нужд, переработки тока 6-10 кВ и 825 В, аккумуляторы, блоки, отвечающее за заземление, преобразование, понижение мощности электричества.

В технологические карты наземных подстанций метрополитена включаются системы шин одинарного строения. По инструкции, нормальное состояние секционного переключателя в режиме «включено». Запитывание проходит по двум ЛЭП от единственного источника электричества. Вводы есть у обеих секций, работают параллельно. Резервом выступает перемычка кабеля, связывающая шину с соседней тяговой точкой. Элементы оборудования размещается двухэтажно: внизу трансформаторы, теле- и автоуправление, вверху – щиты нужд, батареи, вентиляция, выпрямители, подстанции метрополитена. Сигнализации, шкафы управления в типовые технологические карты подключаются к фасадным частям устройств. Кабельные протяжки, согласно инструкции безопасности, относятся в подвальные помещения.

Подземные комплексы питают дороги метрополитена от 1 источника по 2 параллельным ЛЭП. Защита линий максимально выправлена, выключатели секций шин снабжены выпрямителями из кремния. Одна из секций, в строгом соответствии инструкции, подчиняется другой энергосистеме по смежной перемычке. В структуре карты присутствуют автоблокирующие устройства, трансформаторы освещения, силовых и централизованных приборов.

При мелком заложении инструкции обязывают проводить строительство по прямоугольному поперечному сечению. Глубокое заложение переводит строительство в формат круглого сечения с отделкой бетоном, металлическим тюбингом или чугуном. Вход в подстанцию – со станции через специальную дверь. Вентиляция замкнутая.

В заключении еще один материал про схемы питания

Схемы питания

Типовая схема размещения тяговых подстанций на линии метрополитена

СТП — совмещённая тягово-понизительная подстанция,

КП — связующая перемычка кабеля

Инструкции эксплуатации тяговых подстанций в метро обязывают рассчитывать мощность так, чтобы всегда оставался резерв питания. Для этого используются двойные линии с кабельными перемычками. Одна ЛЭП питает подстанцию, вторая связана с другим источником и включается по необходимости. Требования дополнительных трат электричества на освещение, эскалаторы, работу водоотливов, вентиляции и прочих систем обуславливают установку 3 и более подстанций по протяженности дороги и вестибюлей. Перемычки позволяют распределять мощность рационально, выравнивать разницу напряжения, избегать перебоев.

Где может использоваться

Тяговая подстанция – это отдельная разновидность оборудования, которое представляет собой источник электроэнергии для всех видов электротранспорта. Но для каждого направления предполагается особый вид подобной техники. Располагаться могут ТП по всей протяженности дороги с интервалом от 25 до 50 км. Периодичность, с которой монтируется тяговая подстанция, определяется несколькими факторами, среди них: профиль железной дороги, размеры и целевое назначение транспортного средства.

Смотрим видео, область применения и виды ТП:

В качестве основных направлений, которые подразумевают установку данного вида оборудования, выступают:

• Железнодорожный транспорт;
• Метрополитен;
• Наземный электротранспорт (трамваи, троллейбусы).

Тяговая подстанция может быть представлена разными исполнениями, отличными по техническим характеристикам. При этом целесообразность установки того или иного варианта определяется соответствием основных параметров уровню предполагаемой нагрузки, а также условиям эксплуатации.

Обзор видов ТП

Тяговая подстанция в первую очередь подразделяется на две группы:

1. Постоянного тока.
2. Переменного тока.

Первый из названных вариантов включает оборудование, рассчитанное на 6-220 кВ. При этом питание осуществляется по ЛЭП воздушного и кабельного типа. В случае когда напряжение ниже порога 110 кВ, требуется понижение, соответственно, электроэнергия сначала проходит этап понижения значения электрических параметров при участии трансформатора. В прочих ситуациях энергия направляется сразу в распред. устройство. Тяговая разнотипная подстанция переменного тока по большому счету сходна с оборудованием этого рода, функционирующим на постоянном токе, за единственным исключением, которое состоит в отсутствии преобразующего узла для выпрямления электрических характеристик.

Подстанция для железной дороги и прочего электротранспорта

Тяговая разнотипная подстанция встречается и в других исполнениях, разделение при этом осуществляется по целевому назначению транспорта:

1. Оборудование для железной дороги. Встречается в следующих вариантах:

• Опорная – может выступать в качестве источника питания для других установок;
• Тупиковая – получает электроэнергию от рядом стоящей подстанции;
• Промежуточная – питается от двух ближайших установок.

1. Тяговые подстанции трамвая и троллейбуса. Оборудование данного вида также существует в нескольких исполнениях:

• С необходимостью участия обслуживающего персонала;
• Полностью автоматизированные;
• ТП для трамвая и троллейбуса, которые не требуют участия в работе оборудования персонала и представляют телеуправляемую технику.

1. Установки для метрополитена. Различают следующие виды подобной техники:

• Тяговая;
• Понизительная;
• Тягово-понизительная.

В первом случае представлена тяговая распределительная подстанция, питание которой осуществляется посредством городских электросетей. Второй из названных вариантов предполагает получение тока больших значений от тяговой установки, который в дальнейшем понижается до уровня 400-230 В, чего достаточно для силовых и осветительных приборов.

Технические характеристики

Тяговые подстанции трамвая, метро и троллейбуса и железнодорожного транспорта имеют ряд параметров, по которым подбирается требуемый вариант. Кстати, если сравнивать их с таким оборудованием, как столбовые подстанции СТП, которые питаются переменным током и представлены исключительно лишь тупиковым вариантом конструкции, то ассортимент будет весьма широк, что несколько затрудняет выбор.

Смотрим видео, конструкция и устройство подстанции:

Для ориентации в большом количестве исполнений нужно четко представлять, какие нагрузки будут оказываться на технику данного вида, в соответствии с чем определяются параметры оборудования:

• величина сопротивления и напряжения на шинах, куда подается уже выпрямленный ток;
• тяговая подстанция метро, железной дороги и прочего электротранспорта характеризуется внутренним сопротивлением, а также сопротивлением отсасывающего фидера и сглаживающего узла, посредством данных величин можно получить значение сопротивления всей установки, суммировав их;
• тяговые подстанции метро и РЖД отличаются по количеству используемых в конструкции трансформаторов и распред. устройств;
• напряжение всей установки является расчетной величиной и определяется из формул;
• мощность короткого замыкания.

Для сравнения, определяющими параметрами для такого оборудования, как столбовые трансформаторные подстанции, являются: общая мощность, а также значения высшего и низшего напряжения.

Существует несколько исполнений такой техники, отличных по данным параметрам: с напряжением 6 или 10 кВ по высокой стороне, а также с напряжением 0,23 или 0,4 кВ по низкой стороне. По таким же критериям подразделяется и мачтовая трансформаторная подстанция.

Как выглядит структурная схема

Структурная схема

Существует несколько наиболее распространенных способов подключения в зависимости от того, какие нагрузки планируется подавать, и какого типа объекты будут подключаться. В результате может меняться состав оборудования.

На рисунке изображен один из наиболее простых вариантов. Распределительное устройство включает в себя три ячейки, причем конструкцией предусмотрен всего один выключатель. На вводе устанавливается только один разъединитель, что также способствует упрощению схемы. Нет необходимости в использовании резервного оборудования. Учитывая отличия такого оборудования, как мачтовая трансформаторная подстанция, схема будет выглядеть несколько иначе.

Рекомендации по выбору

Основным критерием эффективности использования того или иного типа установки является соответствие параметров условиям эксплуатации, в частности, уровню подаваемой нагрузки. Если подбирается тяговая или столбовая трансформаторная подстанция, ее типовой проект подразумевает необходимость выполнения следующих действий:

• Выбор схемы подключения и соединения основных узлов;
• Определение наиболее подходящего варианта токоведущих аппаратов и узлов;
• По расчетным значениям электрических параметров подбираются основные узлы такого оборудования (распределительные устройства, трансформаторы, выключатели, разъединители, элементы защиты, зарядных аккумуляторов).

Аналогичные действия выполняются в случае, когда выбирается мачтовая трансформаторная подстанция типовой проект также будет в большей мере состоять из расчетной части.

Нюансы монтажа и нормативная документация

Основная особенность принципа установки техники, используемой для питания железнодорожного электротранспорта, заключается в том, что все работы выполняются при непосредственном участии электромонтажных поездов. В перечень ключевых задач входит непосредственно сам монтаж подстанции тягового типа, а вместе с тем и постов секционирования, телемеханического оборудования и контактной сети. Такое оборудование, как столбовые трансформаторные подстанции, подключаются несколько иным способом, учитывая, что все основные узлы монтируются на опоре.

СТН ЦЭ 12-00 «Нормы по производству и приемке строительных и монтажных работ во время электрификации железных дорог» определяют ряд требований, предъявляемых к монтажу подобного оборудования. Для сравнения мачтовая трансформаторная подстанция предполагает подготовку котлована для установки опоры, проверку точности установки по отвесам, монтаж основных узлов на опорной конструкции, подключение всех элементов.

Таким образом, тяговые установки отличаются многообразием исполнений, что, с одной стороны, несколько затрудняет выбор подобной техники, а с другой – позволяет подобрать наиболее подходящий вариант. А вот столбовые трансформаторные подстанции являются техникой более узкого целевого назначения и представляют собой тупиковый вариант конструкции определенного диапазона значений мощности и напряжений. При выборе любого из этих видов оборудования учитывается уровень выдерживаемой нагрузки, схема подключения, а также соответствие основных параметров условиям работы.

Область применения

Тяговая подстанция имеет ряд особенностей. На ее устройство влияет область эксплуатации и назначение. Тяговые подстанции трамвая и троллейбуса, поездов метро и РЖД могут значительно отличаться.

Для электрифицированных железных дорог характерна установка ТП через каждые 25-50 км. Проектирование сети выполняется в соответствии с рядом требований. Технологические карты расстановки зависят от профиля железной дороги, ее размеров и особенностей транспорта.

По факторам назначения оборудование тяговых подстанций относят к одной из трех групп. К первой категории относятся тяговые подстанции метрополитена. Во вторую группу входит оборудование для железной дороги. К третьей категории относятся установки для наземного городского транспорта.

Разновидности

Существуют тяговые подстанции постоянного и переменного тока. Каждая группа имеет свои особые технические характеристики. Подстанции постоянного тока рассчитаны на нагрузку 6-220 кВ. Электрические коммуникации подводятся к ним по воздуху или при помощи кабеля.

Если транспорт работает от напряжения менее 110 кВ, в конструкции предусматривается понижающая аппаратура. Поступая в прибор, ток сначала уменьшается, а затем выпрямляется и поступает в коммуникационные сети. Проектирование тяговых подстанций переменного тока выполняется без участия преобразующего узла. В этом случае конструкция будет проще.

Чтобы иметь возможность выпрямлять напряжение в сети в параллельных подстанциях при подсоединении одной и той же фазы применяются специальные схемы. Они позволяют симметрировать присоединение трансформаторов. Самой известной из них является схема двойного винта. Ее применение позволяет равномернее загружать фазы, избегая потерь напряжения потребителей.

Встречаются передвижные и стационарные подстанции. Чаще применяется второй вариант. Передвижные устройства играют роль аккумуляторных батарей. Их проектирование обладает определенными сложностями. Поэтому их применяют достаточно редко.

Классификация в зависимости от назначения

В соответствии с условиями работы тяговая подстанция может быть отнесена к одной из следующих групп. Для железнодорожного транспорта применяются опорные, тупиковые, промежуточные разновидности. В первом случае установка может использоваться для питания прочих объектов. Тупиковые аппараты обеспечиваются электротоком от соседних подстанций, а промежуточные – от двух соседних установок.

Для троллейбусов и трамваев применяются особые разновидности. Первая группа приборов нуждается в участии обслуживающего персонала. Вторая категория полностью автоматизирована. К третьей категории относится телеуправляемая техника. В управлении такими станциями не требуется участие персонала.

Для метрополитена используют понизительные, тяговые и тягово-понизительные приборы. В первом варианте система питается от оборудования городских электросетей. Второй тип понижает напряжение до 400-220 В. Ее энергию применяют для питания осветительных и силовых приборов.

Рекомендации по проектированию

Для правильного проектирования установки недостаточно одной только мощности трансформатора. Следует учитывать целый перечень параметров, которые влияют на работу оборудования. К ним относится следующее:

• Величина напряжения, сопротивления на шинах, в которые подается ток.
• Сама подстанция обладает определенным уровнем сопротивления, а также сопротивлением фидера, сглаживающего узла. При выборе установки необходимо учитывать общую сумму этого параметра.
• В конструкции может применяться разное количество трансформаторов, распределителей. При выборе учитывают условия эксплуатации техники.
• При помощи общепризнанных формул необходимо рассчитывать общую величину требуемого напряжения установки.
• Мощность короткого замыкания также берется во внимание.

В большинстве случаев учитывают общую мощность оборудования, а также показатели низшего и высшего напряжения.

Структура

Описание типовых схем представленных аппаратов достаточно сложное. Однако можно выделить общие черты. Подключение в системе производится в соответствии с особенностями транспорта, для которого применяется агрегат.

Распределитель состоит из трех блоков. В первом находится устройство, принимающее высокое напряжение, во втором отсеке – трансформатор, а в третьем – выход для электроэнергии с заданными характеристиками. Предусмотрен всего один выключатель. На вводе присутствует разъединитель.

Соединение первичных обмоток выполняется по схеме звезда. Нулевая фаза обязательно заземляется. Вторичные обмотки соединяются в виде треугольника. Одну из фаз заземляют и подводят к рельсу. В метрополитене для этого предусмотрено наличие особого контактора. Этот рельс предназначен исключительно для снятия напряжения электровозом.

Другие фазы подают ток в два воздушных кабеля. Их иногда применяют для снабжения электроэнергией других потребителей, но в основном по воздушным проводам тяговые подстанции обеспечивают питание троллейбусов. Для трамвая этот процесс предполагает задействовать один воздушный провод и один наземный рельс. В большинстве стран мира напряжение для такой сети составляет 550 В.

Питание подстанции

Тяговая подстанция должна обеспечивать бесперебойную подачу электричества для передвижения транспорта. Поэтому многие из подобных агрегатов запитываются сразу от двух автономных сетей. При этом может применяться однолинейная схема тяговой подстанции или при помощи двух резервных линий к другому источнику питания. Также возможен вариант запитки перемычками между отдельными подстанциями.

Если применяется вариант из двух отдельных линий, каждая из них должна быть рассчитана на максимальную нагрузку агрегата. Резервные коммуникации должны выдерживать общую нагрузку соединенных станций.

Раньше для запитки сетей метрополитена применяли радиальную схему. Она сложна и затратна. При ее применении требуется слишком много кабеля. От нее отказались. Сегодня применяются только приведенные выше схемы. Линии и перемычки позволяют объединять аппаратуру в отдельные группы. Если внутри нее вышел из строя один прибор, его функции берут на себя другие агрегаты.

Также при выполнении мероприятий по текущему обслуживанию агрегатов проведение всех операций будет проще, не вызывая остановки системы. В этом случае существует возможность обесточить только один агрегат. Другие устройства при этом будут обеспечивать работу линии. Такой подход к текущему ремонту значительно упрощает работу персонала, делая обслуживание менее затратным.

Количество агрегатов

На узлах подачи электроэнергии наземному и подземному транспорту применяются установки с различным количеством аппаратов. Встречаются как одноагрегатные, так и многоагрегатные сооружения. Первая разновидность применяется на ответвлениях, где не нужно обеспечивать централизованного снабжения. Обоснование их применения сомнительно, так как они не обеспечивают высокую надежность питания. Если агрегат выйдет из строя или потребуется произвести его техобслуживание, будет обесточена вся линия. Поэтому такие установки применяют достаточно редко.

Гораздо чаще можно встретить двухагрегатные питающие установки. Существуют подстанции с тремя, четырьмя трансформаторами. Это значительно повышает надежность линии. Они обеспечивают бесперебойную подачу тока даже при выходе из строя или обслуживании одного агрегата.

В моменты повышения нагрузки до максимума многоаппаратные схемы отличаются высокой гибкостью. Такой подход позволяет удешевить строительство и эксплуатацию оборудования.

Рассмотрев особенности и разновидности тяговых подстанций, можно оценить важность их правильного выбора и эксплуатации в сетях городского и государственного транспорта.